TY - THES A1 - Mendoza-Lera, Clara T1 - Reciprocal influences of microbial community and hydrogeomorphology in sandy streambeds T1 - Wechselwirkende Einflüsse von mikrobieller Gemeinschaft und Hydrogeomorphologie in sandigen Bachbetten N2 - The main goal of this dissertation was to explore the interactions between the hydrogeomorphology of the streambed in sandy lowland low-order streams and the microbial community inhabiting it. In particular, (i) the influence of the vertical water exchange across the streambed and (ii) of the sediment transport on the function and structure of the streambed microbial community, (iii) and the potential of the microbial community to influence these physical factors were explored. The influences were studied with a model system approach (micro- and mesocosms). Firstly, I examined the significance of vertical water exchange across the streambed for the microbial community. I determined the differences in the microbial community structure and function associated with sediments of differing grain sizes. The grain sizes differed in surface-to-volume ratio and hydraulic conductivity. The results revealed vertical water exchange as the major factor for the structure and function of the microbial community. Secondly, I studied the ability of the microbial community to influence the vertical water exchange across two sandy streambeds: leveled and rippled. My results showed that the microbial community can reduce and even block the vertical water exchange by reducing pore space with gas bubbles formed due to high primary production. Thirdly, I determined the effect of short-term sediment transport events on the function of the microbial community and on the influence of the microbial community on vertical water exchange. The results show that the mechanical stress associated with short-term sediment transport events does not influence the microbial community function. However, a single short-term sediment transport event increased vertical water exchange by (i) releasing the gas bubbles produced by the microbial community and (ii) creating irregularities in the flume bed. Lastly, I ascertained the potential of benthic algal mats to transport sediment by means of buoyancy-mediated detachment from the bed. The results revealed the detachment of algal mats as a novel mechanism of sediment transport during low-flow periods. Overall, the interactions studied show that in sandy streambeds (i) the pattern of vertical water exchange is the primary physical template for the microbial community, and (ii) the activity of the microbial community and sediment transport are stochastic sources of spatiotemporal heterogeneity in vertical water exchange. These results contribute to the understanding and prediction of stream ecosystem functions in sandy streams, which is of special significance in light of the increase in fine sediment load in streams worldwide. N2 - Das Ziel dieser Dissertation war es, die Wechselwirkungen zwischen der Hydrogeomorphologie von sandigen Bachbetten (Bäche geringerer Ordnung - nach Strahler) und der darin lebenden mikrobiellen Gemeinschaft zu untersuchen. Im Speziellen galt es dabei, (i) den Einfluss des vertikalen Wasseraustausches zwischen Porenwasser und Bachwasser, als auch (ii) den Sedimenttransport bezogen auf die Struktur und die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft zu untersuchen. Zusätzlich wurde in diesem Zusammenhang (iii) das Potential der mikrobiellen Gemeinschaft genauer betrachtet, diese physikalischen Faktoren zu beeinflussen. Diese Interaktionen wurden in Modellökosystemen analysiert (Mikro- und Mesokosmos). Als erstes habe ich geprüft, ob der vertikale Wasseraustausch zwischen Porenwasser und Bachwasser für die mikrobielle Gemeinschaft von Bedeutung ist. Die Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft wurde in Sedimenten unterschiedlicher Korngröße erfasst. Die Korngröße der Sedimente wurden so gewählt, dass sich das Verhältnis der besiedelbaren Oberfläche zum Nährstofftransport im Porenvolumen unterschieden hat. Die Ergebnisse zeigen, dass der vertikale Wasseraustausch der Haupteinflussfaktor für die Struktur und die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft ist. Als zweites untersuchte ich die Fragestellung, in wie weit die mikrobielle Gemeinschaft den vertikalen Wasseraustausch sandiger Bachbette, die sich in ihrer Rauigkeit unterscheiden (eben und geriffelt), zu beeinflussen. Meine Ergebnisse zeigen, dass die mikrobielle Gemeinschaft den vertikalen Wasseraustausch einschränken und sogar blockieren kann. Der Porenraum wurde signifikant durch die Einlagerung von Gasblasen, die bei der Primärproduktion entstehen, reduziert. Als drittes untersuchte ich den Effekt von kurzzeitigen Ereignissen des Sedimenttransports auf die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft und den damit verbundenen Einfluss auf den vertikalen Wasseraustausch. Der mechanisch wirkende Stress, verursacht durch den Sedimenttransport, hatte keinen Einfluss auf die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft. Dennoch erhöht ein einmaliger, kurzzeitiger Sedimenttransport den vertikalen Wasseraustausch durch (i) herauslösen der durch die mikrobiellen Gemeinschaft produzierten Gasblasen und (ii) Schaffung von Unregelmäßigkeiten im Rinnenbett. Zuletzt ermittelte ich das Potential von auftreibenden, benthischen Algenmatten, Sediment vom Gewässerbett zu lösen und flussabwärts zu transportieren. In Fließrinnenexperimenten konnte ich zeigen, dass das Ablösen von Algenmatten ein wichtiger und bislang unberücksichtigter Mechanismus von Sedimenttransport während Perioden mit geringem Wasserabfluss darstellen kann. Zusammenfassend zeigen die betrachteten Wechselwirkungen in sandigen Bachbetten, dass (i) das Modell des vertikalen Wasseraustausches der primäre physikalische Faktor ist, der die Struktur und die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft im Bachbett prägt. Des Weiteren sind (ii) die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft sowie der Sedimenttransport stochastische Quellen raum-zeitlicher Heterogenität des vertikalen Wasseraustauschs. Vor allem im Hinblick auf die zunehmenden Ablagerung von Feinsedimenten in Bächen weltweit tragen diese Ergebnisse wesentlich zum Verständnis und der Prognose von Ökosystemfunktionen in sandigen Bachläufen bei. KW - Flumes KW - Hyporheic zone KW - Lowland streams KW - Colmation/Sedimentation KW - Rinnen KW - Hyporheische Interstitial KW - Flachland Bäche KW - Sedimentation KW - Flachland KW - Bach KW - Sedimentation KW - Hyporheisches Interstitial Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35175 ER - TY - THES A1 - Zlatanović, Sanja T1 - In-stream microbial carbon transformation under opposing stresses - drought and sediment transport T1 - Mikrobielle Kohlenstofftransformation in Fließgewässern unter Einfluss von Trockenheit und Sedimentumlagerung N2 - The mineralization of organic matter (OM) is an important ecosystem service that has come under pressure because of increased frequency of droughts and higher sediment loads in running waters. In particular, lowland streams in temperate regions may experience reinforced sediment transport through migratory ripples and changes of naturally sorted sand and gravel in streambeds towards sand-dominated, homogenized streambed structure. The impact on microbial carbon (C)-transformation from these changes was the main focus of my doctoral thesis, in particular the impact of (i) periodic mechanical disturbance associated with ripple migration (ii) streambed structure homogenization, and (iii) drought in streambeds with sorted or homogenized sediment structure. In a set of microcosms, the significance of periodic mechanical disturbances for microbial C-transformation was tested. Thereby, the quantity and quality of the OM in the sandy sediments were varied by the addition of leaves and fish feces to the OM-poor sands. The results revealed that periodic mechanical disturbances resulted in significant decrease in microbial respiration to a low and similar level regardless of OM quality contained in sand. The importance of the streambed structure (sorted vs homogenized) for C-transformation was tested using set of experimental streams. The focus was on the interaction between benthic and hyporheic microbial processes in C-transformation to better understand the consequences of streambed homogenization on microbial function. The results showed that sediment structure determines connectivity between the benthic and hyporheic zones. The lower water exchange in homogenized streambeds and thereby reduced supply of freshly produced bioavailable OM from the benthic to the hyporheic zone, curtailed microbial respiration in the latter affecting the water quality. The influence of a drought and rewetting was tested on C-transformation in streambeds with a sorted or homogenized sediment structure using experimental streams where one half of the streams were strongly shaded and the other half moderately shaded. The results showed that streambeds affected by droughts, either with sorted or homogenized sediment structure have a similar microbial activity at the first place controlled by shading, whereas microbial composition during drought and its recovery after rewetting was additionally affected by sediment structure. Overall, this doctoral thesis showed that in sediment transport– and drought-impacted streambeds (i) ripple migration results in decreased C-transformation regardless of the available quality of OM, (ii) homogenization of sorted sediment structure leads to a decrease in microbial C-transformation in the hyporheic zone, and (iii) interaction between sediment structure and shading alters microbial community composition especially critical for resistance and resilience of C-transformation during drought and rewetting. N2 - Die Mineralisierung von organischem Material (OM) ist eine wichtige Ökosystemdienstleistung, die durch die Zunahme von Trockenphasen und einem erhöhten Sandeintrag in Fließgewässern zunehmend unter Druck gerät. Insbesondere in Tieflandflüssen kann es zu verstärktem Sandtransport in wandernden Rippeln und zu Veränderungen der Sedimente kommen, von sortierten Sand- und Kiesbereichen hin zu einem von Sand dominierten, homogenisierten Flussbett. Die Auswirkungen dieser Veränderungen auf die mikrobielle Transformation von Kohlenstoff (C) bilden den Kern meiner Dissertation, insbesondere die Auswirkung (i) der periodisch, mechanischen Störung durch wandernde Sandrippel, (ii) einer Homogenisierung der Sedimentlagerung, und (iii) von Trockenphasen in Gewässern mit sortierter oder homogener Sedimentlagerung. In Mikrokosmen wurde die Bedeutung periodisch, mechanischer Störungen untersucht. Die Quantität und Qualität des OM in den sandigen Sedimenten wurde durch Zugabe von bioverfügbarem OM variiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die periodischen Sedimentverlagerungen eine erhebliche Störung für die mikrobielle C-Transformation darstellen. Die Respiration verringerte sich unabhängig von der Qualität des OM. In experimentellen Fließrinnen wurde die Bedeutung der Sedimentlagerung (sortiert und homogen) untersucht. Der Fokus lag auf der Interaktion zwischen benthischen und hyporheischen mikrobiellen Prozessen der C-Transformation. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sedimentlagerung die Konnektivität zwischen der benthischen und hyporheischen Zone bestimmt. Der niedrigere Wasseraustausch in einem homogenisierten Flussbett und die dadurch verringerte Zufuhr von bioverfügbarem OM aus der benthischen Zone, schränkten die Respiration im Hyporheal ein. Der Einfluss einer Trocken- und Wiedervernässungsphase in homogenen bzw. heterogenen Sedimentstrukturen wurde ebenfalls in Fließrinnen getestet, wobei eine Hälfte der Rinnen stark, die andere moderat beschattet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die mikrobiellen Aktivitäten in einem austrocknenden Flussbett mit homogener oder heterogener Sedimentlagerung ähnlich sind und in erster Linie durch die Beschattung reguliert werden, wobei die Sedimentstruktur die resultierende mikrobielle Zusammensetzung zusätzlich beeinflusste. Diese Arbeit konnte aufzeigen, dass in einem sandigen Flussbett unter den o.g. extremen Umwelteinflüssen (i) Rippelmigration zu einer Abnahme der C-Transformation führt, unabhängig von der verfügbaren Qualität des OM, (ii) Homogenisierung von sortierter Sedimentstruktur zu einer Abnahme der mikrobiellen C-Transformation in der hyporheischen Zone führt, und (iii) das Zusammenspiel von Sedimentlagerung und Lichtintensität zu einer Änderung führt in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, welche entscheidend für die Resistenz und Resilienz der C-Transformation während Dürre und Wiedervernässungsphasen sind. KW - Environmental stressors KW - Hyporheic zone KW - C-cycling KW - Microbial community KW - Flumes KW - Umweltstressoren KW - Hyporheische Interstitial KW - Kohlenstoffumsatz KW - Mikrobielle Gemeinschaft KW - Rinnen KW - Hyporheisches Interstitial KW - Mikrobiozönose KW - Mineralisation KW - Fließgewässer Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44896 ER -